Токоограничивающие автоматические выключатели

Рост токов короткого замыкания в промышленных установках, необходимость отключать токи 200 кА и выше (в коротких сетях постоянного тока) чрезвычайно затрудняют построение выключающих аппаратов и распределительных устройств в связи с возникающими громадными электродинамическими силами. Применение токоограничивающих выключателей, ограничивающих токи короткого замыкания, не только облегчает процесс отключения, но в десятки раз снижает электродинамические силы.

Токоограничивающие выключатели получили распространение на электрифицированных железных дорогах, на линиях метро, где применяется постоянный ток с напряжением до 3000 В. Они необходимы в выпрямительных полупроводниковых установках. Все возрастающее значение этих выключателей обусловлено тем, что они ликвидируют аварию раньше, чем она успевает развиться до своих максимальных размеров.

Быстродействие при отключении достигается за счет применения (как правило) одноступенчатой контактной системы с малыми зазорами, мощных отключающих пружин, всемерно подвижной системы, быстродействующих электромагнитных и других расцепляющих устройств, основанных соответственно на принципе вытеснения магнитного потока или использования отбрасывающих электродинамических сил. Появились взрывные расцепители. Применяется ряд других мер.

Рис. 16-10. схема конструкции токоограничивающего выключателя типа БВП-5

Устройство выключателя на принципе вытеснения магнитного потока поясним на примере выключателя, показанного на рис. 16-10, предназначенного для защиты силовой цепи электровозов постоянного тока (выключатель БВП-5,1I_ном = 3000 В. U_max = 4000 В, I_ном = 1850 А. собственное время отключения не более 0,003 с).

На общей раме расположены магнитопровод 8 с удерживающей катушкой, размагничивающий виток с сердечником 7, параллельно ему включенный магнитный шунт 9, якорь 10 с шарнирно укрепленным на нем рычажным подвижным контактом 4, неподвижный контакт 5 с дугогасительной катушкой 6. отключающая пружина 3. привод (в данном случае электропневматический – цилиндр 1 и система рычагов 11) и узел вспомогательных контактов 2.

Во включенном положении якорь выключателя удерживается электромагнитом 8; размагничивающий поток, создаваемый витком 7, мал из-за магнитного шунта 9, который представляет собой токоведущую шину с надетыми на нее стальными короткозамкнутыми кольцами. Сопротивление шунта меньше сопротивления витка, а индуктивность шунта много больше индуктивности витка. При установившемся режиме ток выключателя распределяется по витку и шунту обратно пропорционально их сопротивлениям.

При коротком замыкании, в переходном режиме нарастания тока, ток выключателя распределится по витку и шунту обратно пропорционально их индуктивным сопротивлениям. Большая часть тока устремится в размагничивающий виток. Размагничивающее действие витка резко возрастет настолько, что пружина 3 оторвет якорь и разомкнет контакты. Это произойдет много раньше, чем ток короткого замыкания достигнет установившегося значения. Увеличение скорости размагничивания объясняется еще и тем, что магнитный поток вытесняется не из всего объема магнита, а только из малой его части у полюсов.

Принцип получения быстродействия у выключателя с механической защелкой рассмотрим на примере схемы рис. 16-11. Выключатель состоит из контактной системы с механизмом защелки, дугогасительной системы, привода, удерживающего и выключающего электромагнитов.

Контактная система с механизмом защелки состоит из неподвижного контакта 3, подвижного контактного рычага 2, подвесного рычага 4, рычага защелки 5 и отключающей пружины 1. Механическая связь между рычагами создается защелкой (ролики защелки 13 и 14). При номинальном режиме магнитный поток, создаваемый шиной 10 в отключающем электромагните 11, замыкается большей частью через магнитный шунт 7. Поток через полюсы 9 и якорь 8 мал и недостаточен для притяжения якоря. При коротком замыкании ток в шине 10 резко возрастет. Однако в период возрастания тока короткозамкнутые кольца 6 за счет возбужденных в них вихревых токов воспрепятствуют (вытеснят) возрастанию и прохождению магнитного потока через шунт 7. Возросший магнитный поток замкнется через якорь 8. Якорь притянется к полюсам 9 и другим своим концом ударит (показано стрелкой) по рычагу защелки. Последний повернется и освободит контактный рычаг, контакты разомкнутся отключающей пружиной.

Рис. 16-11. Схема конструкции (а) и общий вид (б) токоограничивающего выключателя типа БВЗ-10

В выключателях с механической защелкой отключающий магнит существенно меньше, чем у рассмотренного выше электромагнитного выключателя. Малые электромагниты для управления защелками, ускоренное нарастание отключающего потока за счет магнитных шунтов с короткозамкнутыми витками, облегченная подвижная система и мощные отключающие пружины позволяют получить высокое быстродействие. Так, собственное время отключения выключателя типа БВЗ-10 (схема которого рассматривалась) на номинальный ток 3000 А при скорости нарастания тока (0,3 – 0,6) 10⁶ кА/с не превышает 0,002 с.

Удерживающий электромагнит 12 служит для управления выключателем при перегрузках и оперативных отключениях. Включение выключателя может осуществляться любым приводом, в данном случае электропневматическим.

Гашение дуги в рассмотренных выключателях осуществляется в камере с узкой зигзагообразной щелью (схема на рис. 6-5), имеющей сверху пламегасительную решетку.

Рис. 16-12. Схема (а) и общий вид (б) токоограничивающего выключателя с взрывным расцепителем

Стремление получить возможно большее быстродействие в выключателях на большие токи привело к созданию токоограничивающего выключателя с взрывным расцепителем (рис. 16-12). Этот выключатель в отличие от рассмотренных выше имеет основные и дугогасительные контакты. Неподвижные основные контакты 8 соединяются с поворотным подвижным контактом 5 самоустанавливающимися мостиковыми контактами 7. Мощные контактные пружины 6 и самоустанавливающиеся мостиковые контакты обеспечивают хороший контакт. Пружина в виде закрученного стержня 4 стремится повернуть поворотный контакт 5 по часовой стрелке. Этому препятствует штанга 11, удерживающая контакт за выступ 12. В штангу 11 встроен взрывной патрон 10. При помощи воспламеняющего импульса могут быть в течение 2-10^-5 с вызваны детонация патрона и разрушение штанги 11. Пружина 4 очень быстро повернет подвижную систему и разомкнет основные, а спустя 0,0003 с и дугогасительные 3 контакты (2 – неподвижные дугогасительные контакты).

Собственное время срабатывания такого выключателя порядка 0,001 с. При таких малых временах следует учитывать и инерцию самих отключающих пружин. Пружина в виде стержня, закрученного по оси, обладает существенно меньшей инерцией, чем спиральные и пластинчатые пружины.

Гашение электрической дуги осуществляется в закрытой камере 1 с узкой продольной щелью. Кроме того, для ускорения гашения дуги могут использоваться получаемые во взрывной камере 9 газы, при помощи которых создается струя сжатого воздуха для обдува дуги.

На рассмотренном принципе построены выключатели на номинальные токи до 12 кА при напряжении до 4000 В. Перезарядка после срабатывания происходит автоматически. Рассмотренный принцип является весьма прогрессивным и может обеспечить построение автоматических выключателей с неограниченной отключающей способностью для сетей любой мощности.

Весьма перспективным является применение водяного охлаждения при создании токоограничивающих выключателей на большие номинальные токи [З]. Водяное охлаждение позволяет сильно уменьшить момент инерции подвижных частей, особенно в выключателях с защелкой.

В водоохлаждаемых токоограничивающих выключателях серии АБЭ на токи до 15 кА при напряжении 560 В постоянного тока момент инерции подвижных контактов удалось снизить до 3·10^-3 кг·м², что во много раз меньше, чем в других системах.

Дата добавления: 2014-10-15